智能馬達保護器在有色冶金行業中的應用

摘要：簡要介紹了熱繼電器、電子式電動機保護器和智能電動機保護器的優(you) 缺點，並闡述了智能電動機保護器如何正確的選型，重點比較了智能電動機保護器保護模式、端子控製模式、全通信模式、半通信模式等幾種常見工作模式，介紹這4種模式適用的實際情況，最後通過分析智能電動機保護器在工程實際應用中的常見問題，給出了相應解決(jue) 方法和建議。

   關(guan) 鍵詞：智能電動機保護器；過載保護；選型；工作模式；保護模式；端子控製模式；全通信模式；半通信模式

前言

   低壓電動機作為(wei) 有色冶煉企業(ye) 底層大量使用的設備，其異常運行不僅(jin) 影響冶煉廠的正常生產(chan) ，還會(hui) 威脅到人的生命安全，因此為(wei) 電動機設置合適而又全麵的保護至關(guan) 重要。智能電動機保護器集保護、遙測、通信、遙控、顯示等功能於(yu) 一體(ti) ，是目前功能的電動機保護設備，能最大限度保證設備運行的安全可靠性，從(cong) 而實現智能化和高精度保護，同時還能對電動機的狀態進行全麵監控。

一、電動機過載保護設備的發展

1.1熱繼電器

   熱繼電器是一種傳(chuan) 統的電動機保護裝置，使用不同熱膨脹係數的雙金屬片來實現反時限保護。其特點是結構簡單、價(jia) 格低廉，但也存在穩定性、重性差和保護功能單一等缺點。

1.2電子式電動機保護器

   隨著電子技術的不斷發展，電子式電動機保護器應運而生，從(cong) 最初的模擬電路的固態繼電器發展到後來的數字電路的智能型繼電器，特別是微處理器的發展，讓電動機保護器實現了測量、保護和控製功能於(yu) 一體(ti) 。通過采集電流、電壓、頻率和熱電阻信號，可以實現短路、過載、堵轉、超時起動、接地、缺相或不平衡保護等多種保護功能，並能滿足各種起動控製方式。

1.3智能電動機保護器

   隨著微機通信技術和網絡技術的發展，智能電動機保護器又增加了通信模塊，通過雙向通信和組網技術，不僅(jin) 可以采集數據，在線監視運行狀態，還能實現遠程控製。特別是現場總線型網絡通信的應用，簡化了網絡結構，大大減少了控製線纜的使用。

二、智能電動機保護器構成和功能

2.1智能電動機保護器的構成

   智能電動機保護器由主體(ti) 模塊、顯示模塊兩(liang) 部分構成。主體(ti) 模塊包含電源模塊、數字信號處理器、開關(guan) 量輸入輸出模塊、模擬量采集模塊、通信模塊等；顯示模塊負責顯示運行參數以及保護整定值的設置。

   若主體(ti) 模塊和顯示模塊合為(wei) 一體(ti) ，則稱為(wei) 一體(ti) 式智能電動機保護器；若分開，則稱為(wei) 分體(ti) 式智能電動機保護器。部分智能電動機保護器的測量模塊也獨立於(yu) 本體(ti) 之外。

2.2智能電動機保護器的功能

   智能電動機保護器通過微處理器采集並處理電機回路的電流和電壓信號，並根據遙控指令或者就地控製指令確定電機起動或停止。雖然不同品牌的產(chan) 品名稱、型號各異，但其核心功能基本都一樣，具體(ti) 如下:

1)保護功能。包括過載、斷相、堵轉、啟動超時、單相接地、短路、外部故障、欠電流、欠電壓、過電壓保護和溫度保護等。

2)測量功能。可測量相電流、相電壓、線電壓、零序電流、有功功率、無功功率、功率因數、頻率和相位角等。

3)計量功能。可計量有功電度和無功電度。

4)控製功能。具有多路數字量輸出口，可實現電動機的直接起動、雙向動、雙速啟動和星三角降壓啟動等。

5)管理功能。包括電動機累計運行時間記錄，電動機累計起動次數和起動時間記錄、故障動作記錄和電動機起動報告。

6)信息采集功能。具備多路數字量輸入接口和模擬量輸入接口，可采集電動機相關(guan) 的各種電氣狀態數字信號(斷路器狀態、接觸器狀態以及控製命令)和電動機繞組測溫模擬信號。

7)通信功能。可配備多種通信接口，如Modbus、Profibus-DP、DeviceNet和Ethnet-IP等，可實現遠程的起、停控製和狀態量的反饋。

三、智能電動機保護器的合理選型

   智能電動機保護器的選用應該根據安裝地的自然環境、電磁環境以及測控保護和控製需求來確定。

1)安裝位置的環境條件。主要指溫度、腐蝕度、震動度、風沙、海拔、電磁汙染等。和熱繼電器不同的是，智能電動機保護器是一種電子元器件，對環境的要求相對嚴(yan) 苛，這一點需要特別注意。

2)控製電壓。根據係統的控製電壓選擇適配的智能電動機保護器，部分廠家的電動機保護器僅(jin) 提供24VDC的電源輸入接口。

3)測控保護需求。根據電動機的類型、特點、功率大小和重要程度，選擇采用哪些測量功能和保護功能。

4)控製需求。根據工藝的操作需求確定控製需求，選擇手動、自動、就地控製或遠程控製等控製模式以及需要的控製功能和控製點數，繼而確定輸入、輸出端子的數量和功能是否滿足要求。

5)通信需求。根據需求確定是否采用通信的方式進行遙控和遙信，進一步確定采用何種通信方式。

6)配合櫃體(ti) 的需求。根據不同的櫃體(ti) ，選擇一體(ti) 式還是分體(ti) 式的智能電動機保護器。一般情況下，固定櫃選擇一體(ti) 式的保護器，抽屜櫃選擇分體(ti) 式的保護器[4]。7)特殊需求。是否要求輸入輸出端子可自由定義(yi) 功能。

四、智能電動機保護器的應用實例

   在有色冶煉中，根據工藝需求和客戶需求，智能電動機保護器的主要應用模式有保護模式、端子控製模式、全通信模式和半通信模式。

4.1保護模式

   在保護模式下，智能電動機保護器隻利用其自身的保護功能和測量功能，不參與(yu) 外部控製，相當於(yu) 原來熱繼電器的作用。具體(ti) 接線如圖1所示。

圖1保護模式接線圖

   這種模式適用於(yu) 原有係統的改造升級，外部的控製接線修改很小。優(you) 點在於(yu) 最大限度減少了因智能電動機保護器裝置本身出問題或通信出問題帶來的風險；缺點是沒能充分發揮智能電動機保護器的功能，遠程DCS控製線路仍然采用的是硬線。部分比較保守的客戶由於(yu) 對通信穩定性和可靠性的不信任，普遍采用這種模式。

4.2端子控製模式

   在端子控製模式下，智能電動機保護器通過自身的開關(guan) 量輸入端子采集外部控製命令，繼而控製其開關(guan) 量輸出電動機的起、停或正反轉等，具體(ti) 接線如圖2所示。

圖2端子控製模式接線圖

   在該模式下，智能電動機保護器具備保護和控製兩(liang) 個(ge) 功能，相比上麵的保護模式，優(you) 勢在於(yu) 可以充分使用智能電動機保護器的控製功能，但和保護模式一樣，其遠程DCS控製線路仍為(wei) 硬線。

4.3全通信模式

   在全通信模式下，就地控製時智能電動機保護器隻起保護作用，不參與(yu) 控製，相當於(yu) 保護模式；遠程DCS通過通信線路控製智能保護器輸出電機起、停或正反轉等命令。

   這種模式的優(you) 勢主要體(ti) 現在兩(liang) 個(ge) 方麵:一是保證了就地控製的獨立性，盡可能規避通信控製帶來的風險，提高了安全係數；二是大大減少了電纜的使用和接線的工作量。

   影響這種模式推廣的關(guan) 鍵因素是客戶對通信的穩定性和可靠性的擔憂。實際應用中，個(ge) 別工程出現過通信不暢、經常掉線、易受幹擾等問題，但基本都是由於(yu) 通信網絡方案不合理、施工質量不佳以及通信線路和產(chan) 品質量有問題等因素導致的，全通信模式本身已經很成熟，並不存在大的問題，國內(nei) 外早已大量應用。

4.4半通信模式

   半通信模式的特點是電機的遠程DCS起、停控製仍然采用硬線，隻有狀態信號的上傳(chuan) 走的是通信網絡，所以稱為(wei) 半通信模式。

   半通信模式介於(yu) 保護模式和通信模式之間，是一種折中的應用。其應用背景為(wei) :客戶對智能電動機保護器信心不足，擔憂由於(yu) 通信不可靠導致電機的起、停不受控製，繼而影響生產(chan) 或帶來安全事故，故遠程的控製信號仍然采用硬線方式傳(chuan) 輸。不過這種模式也為(wei) 將來改為(wei) 全通信模式留出了接口，方便日後升級改造。

   以上僅(jin) 以普通電機單相運行為(wei) 例，列出智能電動機保護器4種常用的工作模式，每種模式都有其應用的背景和現實需求，設計人員需要根據工程實際和需求來選用合適的工作模式。

五、問題和建議

5.1智能電動機保護器短路保護的問題

   智能電動機保護器具有很多種保護功能，短路保護是其中之一。其主要保護邏輯是根據采集的電流進線分析和計算，當電流超過5倍電機額定電流時，其短路保護出口發出斷路器跳閘命令。該跳閘命令是通過斷路器的分勵線圈來實現的。這個(ge) 邏輯本身沒有問題，問題出在智能電動機保護器和分勵線圈的工作電源上。一般情況下，該工作電源從(cong) 電動機主回路的某一相上取電，當通信控製模式接線圖外部發生三相短路時，母線的各相電壓會(hui) 下降，或工作電源所在那一相發生單相接地短路時，該相電壓也會(hui) 下降。當電壓下降到小於(yu) 智能電動機保護器和分勵脫扣器的正常工作電壓時，智能電動機保護器和分勵線圈均無法正常工作，短路保護也無法實現。其實電動機主回路的斷路器本身就具備很好的短路保護功能，所以智能電動機保護器設置短路保護必要性不大。

5.2智能電動機保護器測量準確度低的問題

   智能電動機保護器基本隻配備一組三相CT，而保護器的保護功能肯定是的，測量和計量功能隻是附帶的，因而配置的CT首先要滿足保護功能的需求。保護功能所用CT要求較大的故障電流通過時鐵心不能飽和，以便較好地反映一次電流值，所以在正常電流通過時，智能電動保護器測量的準確度較低。因此，智能電動機保護器的計量數據不適合作為(wei) 企業(ye) 的生產(chan) 成本數據，如果想采集能耗數據，應單設測量CT和計量表。

5.3智能電動機保護器和變頻器配合應用易受電

磁幹擾的問題

   當智能電動機保護器與(yu) 變頻器安裝在同一個(ge) 櫃內(nei) 配合使用時，智能電動機保護器會(hui) 因為(wei) 變頻器的電磁幹擾出現誤動作的情況。某工程中，智能電動機保護器作為(wei) 變頻器的旁路保護電器，正常情況下變頻器工作時，旁路沒有電流通過，但現場卻發現智能電動機保護器不斷發出漏電故障報警。理論上來說，智能電動機保護器的抗電磁幹擾能力滿足國家標準要求，不應該出現這種情況，但實際上這種情況不少。因此建議智能電動機保護器和變頻器分櫃安裝，盡可能遠離，避免幹擾。還有一種接線方式也經常用到，就是現場控製箱的按鈕和遠程的起、停信號直接接到智能電動機保護器的輸入端子。這種方式的優(you) 點在於(yu) 沒有轉接，接線比較簡單，但這種接線方式在工程中經常出現控製信號的幹擾問題。而出現這種問題的原因在於(yu) 控製信號電壓的不一致:端子輸入的電壓為(wei) 24VDC，而輸出口至控製箱信號燈的電壓為(wei) 220VAC。如果設計者沒有注意這一點，將至控製箱的所有信號合用一根控製線的話，高壓幹擾低壓的現象就會(hui) 出現，導致控製出現異常。避免這種問題的方法也很簡單，隻要將這兩(liang) 種不同電壓的信號用不同的控製電纜分開即可。

5.4智能電動機保護器安裝在抽屜櫃中的通信問題

   目前市麵上的智能電動機保護器采用的通信協議或接口有很多種，但無論采用何種協議或接口，當智能電動機保護器安裝在抽屜單元內(nei) 時就會(hui) 遇到通信電纜的連接問題。，抽屜單元是可移動的，甚至是可移走替換的，它通過一次插頭和二次插針與(yu) 外部固定的動力電纜和控製電纜連接。由於(yu) 智能電動機保護器安裝在抽屜單元內(nei) ，它與(yu) 外部通信總線之間的連接就成了一個(ge) 難題。如果和其他控製信號一樣采用二次插針的方式，雖然可以解決(jue) 連接的問題，但由於(yu) 二次插針裸露，沒有屏蔽層，無法保證通信不被幹擾。通信的可靠性是的，所以大都采用了通信電纜從(cong) 櫃後直接穿孔進入抽屜單元後與(yu) 智能電動機保護器相連的方式。通信電纜在櫃後留有餘(yu) 量，當抽屜單元小範圍抽出時沒有問題，但當抽屜單元抽出櫃體(ti) 時，就需要先拔掉連接頭，這種做法犧牲了抽屜單元的一部分便利性。

六、ARD係列電動機保護器產(chan) 品選型介紹

          ARD智能電動機保護器適用於(yu) 額定電壓至660V的低壓電動機回路，集保護、測量、控製、通訊、運維於(yu) 一體(ti) 。其完善的保護功能確保電動機安全運行，帶有邏輯可編程功能，可以滿足多種控製方式。該產(chan) 品采用分體(ti) 式結構，由主體(ti) 、顯示單元、互感器組成，可適應各種櫃體(ti) 的安裝。可選配不同通訊模塊適應現場通訊需求。

6.1功能特點

■支持基波和全波電力參數測量（U、I、P、Q、S、PF、F、EP、EQ），電流及電流不平衡度、電流正序、負序、零序分量、電壓、三相電壓相角、剩餘(yu) 電流。

■保護功能包括過載反時限、過載定時限、接地、起動超時、漏電、欠載、斷相、堵轉、阻塞、短路、溢出、不平衡(電流、電壓)、過功率、欠功率、過壓、欠壓、相序、溫度、tE時間、外部故障、起動次數限製、運行時間報警、故障次數報警。

■9路可編程DI輸入，默認采用內(nei) 置DC24V電源，也可選擇外部有源濕接點。

■5路可編程DO輸出，滿足直接起動，星—三角起動，自耦變壓器起動，等多種起動方式，可通過通訊總線實現主站對電動機的遙控“起/停"。

■可選抗晃電功能：支持晃電立即再啟動、失壓重起動。

■可選配MODBUS_RTU通訊、PROFIBUSDP通訊，支持最多2路通訊接口。

■可選配1路DC4-20mA模擬量輸出接口，與(yu) DCS係統相接，可實現對現場設備的監控。

■具有故障記錄、起動記錄、停車記錄、DI變位記錄和再起動記錄等各類事件記錄。

■顯示界麵液晶顯示，支持中/英文切換。

6.2、產(chan) 品選型

七、結束語

   智能電動機保護器替代傳(chuan) 統熱繼電器是大勢所趨，通過智能電動機保護器以總線的通信方式組網實現工廠低壓電機的遙測、遙控是智能配電和智能工廠的基本需求。智能電動機保護器要想得到更好的應用和推廣，還需要工程設計人員和設備廠家密切配合，根據出現的問題提出更好的解決(jue) 方案。

安科瑞侯文莉